氧氣調節器供氧濃度模糊控制方法的仿真研究

孫昊王收軍孫青林

摘要：氧氣調節器為航空供氧系統的核心部件，它以飛機的飛行高度的變化速率為依據，并且根據航空供氧準則的要求，為駕駛員動態地提供相應含氧濃度的混合氣體或純氧。本文首先通過分析航空供氧生理學理論以及氧氣調節器的工作原理，建立氧氣調節器的活門開度與飛機飛行高度之間關系的數學模型，并且設計一種應對供氧調節器的活門開度的模糊控制器。最后使用MATLAB軟件平臺的Simulink模塊對模糊控制方法的可行性和有效性進行仿真實驗驗證。仿真實驗結果表明，本文中所給出的模糊控制規則合理，能夠使得氧氣調節器為飛行員提供符合含氧濃度要求的混合氣體。

關鍵詞：氧氣調節器；氧氣濃度；模糊控制；仿真研究

中圖分類號：TP273.4文獻標識碼：A

1引言

當飛機在高空飛行時，由于大氣壓強伴隨高度的升高而降低，外部空氣的含氧濃度并不能滿足駕駛員的需要。因此駕駛員需要通過氧氣調節器按照飛行高度供給不同含氧濃度的混合空氣或者純氧，而軍機在執行任務過程中，由于其飛行速度快，飛行高度變化劇烈，這就要求供氧設備為飛行員提供的氧氣的含氧濃度的提出了更高的要求。所以，供氧調節器如何對輸出的混合氣體中的氧氣濃度進行控制，以符合飛行員的需要，一直是軍事航空研究人員所關注的重要問題。近年來，法國的EROS公司對此問題進行了深入的研究，推出了軍用飛機電子式氧氣調節器產品。該產品居于國際領先水平，其性能指標遠遠高于歐美原有的機械式氧氣調節器，美國的第四代戰機F-22上也開始使用該產品[1]。其他國外在該問題上的研究進展，由于保密原因而很少見到有公開的報道和介紹。在國內，北京航空航天大學的趙競全教授研究設計了一種為飛行器座艙高度在12km時氧氣調節器的加壓供氧的控制方法，并通過仿真實驗對該方法進行分析驗證[2]。北京航空航天大學的林貴平教授則設計了一套基于ATmega128單片機的氧氣調節器的控制電路和軟件解決方案，其主要研究內容在于如何降低呼吸阻力[3]。據從用戶反饋回來的信息所知，國內先進戰機的供氧調節器的氧氣濃度控制問題尚未得到徹底解決，還有一些問題值得進一步的探討[4]。因此，為先進戰機設計一種滿足飛行員需要的氧氣調節器的供氧濃度控制方法，是一項十分重要且有工程實用價值的工作[5]。下面，本文將介紹和總結飛行器氧氣調節器的主要結構和工作原理，在對戰機飛行員處于不同飛行高度所需要的混合氣體中氧氣濃度的變化情況的深入分析基礎上，給出氧氣調節器的活門開度與飛機飛行高度之間關系的數學模型，設計一種對供氧調節器的活門運動開度的模糊控制方法，并應用MATLAB軟件對控制方法進行實驗驗證。

2氧氣調節器的工作原理

由于高空之中大氣壓力降低，使得飛行員吸入氣體的含氧濃度不能滿足飛行員的需要，氧氣調節器的主要工作任務就是控制飛行員吸入器提的含氧濃度，預防缺氧所引起的反應或者癥候。根據航空生理學要求，當飛行高度高度1500m以下時：飛行員主要吸入外部環境的空氣，其主要目的是降低氧氣的消耗。當飛行高度在1500-9000m的范圍內時：伴隨飛行高度的升高，飛行員吸入氣體的氧分壓降低，為了保證飛行員吸入氣的氧分壓水平滿足其需要，氧氣調節器必須隨高度升高而提高吸入氣體的含氧濃度。當飛機的飛行高度在9000m以上時，氧氣調節器一般供給純氧。并且當飛機的飛行高度繼續升高，氧氣調節器采取加壓供氧的方式。本文主要討論飛機的飛行高度在0-9000m的范圍內時氧氣調節器的控制策略[6-7]。

氧氣調節器的工作過程簡介如下：當飛行員吸氣時，氧氣面罩內部壓力降低，面罩內吸氣活門打開，此時控制器通過控制電機打開氧氣以及空氣活門，使氣體通過吸氣活門。當飛行員呼氣時，面罩內呼氣活門打開、吸氣活門關閉，供給氣體不再流入面罩內部，同時關閉氧氣以及空氣活門[8]。圖1為氧氣調節器簡化原理示意圖。

飛機在飛行過程中，氧氣調節器通過調整它的氧氣和空氣活門，來控制氧氣流量以及空氣流量，使得飛行員吸入氣體的濃度滿足飛行員在不同高度下對于吸入氣體的不同氧氣濃度的要求。一般來說，氧氣調節器主要是將空氣活門的開度固定不變，通過對氧氣活門的開度進行調整，使得氧氣調節器供給飛行員的氣體的氧氣濃度符合飛行員的要求。由于平板活門的活門座和活門板之間的氣密性更好，所以一般飛行員佩戴的氧氣調節器的活門多采用平板活門，如圖所示。

活門主要設計參數：氧氣活門直徑4mm，活門最大開度2mm；空氣活門直徑4mm，假設空氣活門開度保持不變為0.2mm。氧氣活門入口壓力與出口壓力分別為80kPa和20KPa，由此得到活門進出口壓力比為0.25，小于臨界壓力比，所以氣體的流動處于超臨界狀態。根據工程流體力學中關于氣體在絕熱等熵條件下通過收斂噴嘴的流量公式，即可得出當處于超臨界流動時，通過活門的氣體的物質流量為：

4模糊控制器的設計

模糊控制器的主要組成部分有：模糊化，知識庫，模糊推理以及解模糊，其主要結構如圖3。

3數學模型

4.1輸入模糊化

在本文中，當飛行員吸入氣氧氣濃度為21%時，如果由人來控制氧氣的濃度的話，則需要將吸入氣的氧氣濃度提高到25%。計算機仿照人的思維進行模糊控制，將吸入氣氧氣濃度為21%這一信息轉化為“吸入氣氧氣濃度過低”，而“如果吸入氣氧氣濃度過低，那么增大氧氣活門開度”這條語句就是模糊規則。在本文中，輸入量E為航空供氧理論要求的活門開度與實際活門開度之間的差值，模糊論域為[-10，10]，模糊量化因子k取值0.08；。EC為理論要求的氧氣活門開度變化率，模糊論域取[-10，10]，模糊量化因子kec取10/86，E與EC均采取三角形隸屬度函數。輸出量U為氧氣活門開度變化，模糊論域為[-1，1]，比例因子ku取值0.05，隸屬度函數為高斯函數，如下圖所示。

4.2模糊控制規則

本文根據系統的實際情況和控制精度要求，將E及EC的調整量在其論域上劃分連續的七個模糊集合，分別為：NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。并列出49條規則：

1）當輸入量E為PB，并且EC為PB時，代表此時實際活門開度與理論活門開度存在較大的差距且理論要求的活門的開度變化率仍在增大，因此輸出量U取PB即為極大地增大氧氣活門開度。

2）當輸入量E為PS，EC為ZO時，代表此時實際活門開度與理論活門開度存在較小的差距，并且理論要求的活門開度的變化率為零，因此輸出量U取PS即為稍微增大氧氣活門的開度。

3）當輸入量E為NM，EC為NS時，代表此時實際活門開度與理論活門開度有一定的差距，并且理論要求的活門開度的變化率也在降低，因此輸出量U取NM即為以一定速度降低活門的開度。

4）當輸入量E為NB，且EC也為NB時，代表此時實際活門開度遠大于理論活門開度，且理論要求的活門開度的變化率也在急速降低，因此輸出量U取NB，即為急速降低活門開度。

4.3解模糊

由模糊規則推理出來的模糊控制量是模糊值，不能直接用于控制被控對象，需要先轉化成一個執行機構可以執行的精確量。此過程稱為解模糊或模糊判據。解模糊的目的是根據模糊推理出的結果，求得最能反映控制量的真實分布。在本文中采用加權平均法，將模糊計算得到的控制量轉換到控制對象的實際論域中，即為乘上比例因子ku才能得到最終實際的控制量。

5系統的仿真實驗及其結果分析

為了驗證數學模型的正確性和模糊規則確立的合理性，我們需要對整個控制系統進行系統仿真。圖5為系統在MATLAB /Simulink下的仿真圖：

從仿真結果可以看出，在第一種飛行曲線的情況下的理論吸入氣體含氧濃度與實際吸入氣體含氧濃度的偏差在[-1.5%，1.5%]之間，第二種情況的理論值與實際值的偏差則在[-1%，1%]之間。系統輸出的供氧濃度曲線與理論的濃度曲線基本吻合，證明了將模糊控制運用在調氧器控制系統上是可行的，在該模糊控制器作用下供氧控制系統具有良好的調節效果，能夠持續穩定地為飛行員提供具有合適的氧濃度的混合氧氣。

6結論

本文簡要介紹了飛行器氧氣調節器的主要結構和工作原理，在對戰機處于不同飛行高度時飛行員所需要的混合氣體中氧氣濃度要求的必要分析的基礎上，給出氧氣調節器在輸出合適氧濃度的混合氧氣的條件下活門開度與飛機飛行高度之間關系的數學模型，設計了一種對供氧調節器的活門運動開度的模糊控制方法，并應用MATLAB軟件的Simulink仿真模塊對控制方法進行實驗驗證。實驗結果證明，將模糊控制運用在氧氣調節器系統上是可行的，本文提出的模糊控制方法能夠使得氧氣調節器為飛行員提供的混合氧氣的氧濃度與理論值之間的誤差很小，符合飛行員的飛行需要。

參考文獻

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